3243

Двухкаскадный усилитель звуковой частоты с несимметричным входом и выходом

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Разрабатываемое устройство представляет собой двухкаскадный усилитель звуковой частоты с несимметричным входом и выходом. Усилитель может получить широкое распространение в аппаратуре связи как предварительный усилитель НЧ сигналов, в каналообразующей аппаратуре в индивидуальных преобразователях.

Русский

2012-10-28

175.5 KB

65 чел.

Техническое задание

  1.  Напряжение источника питания Е = +9В.
  2.  Коэффициент усиления по напряжению Кu = 6.
  3.  Входное сопротивление  Rвх = 5,1 МОм.
  4.  Сопротивление нагрузки  Rн = 1 кОм.  
  5.  Номинальное выходное напряжение  Uном = 1В.
  6.  Нижняя рабочая частота    fн = 50 Гц
  7.  Верхняя рабочая частота   fв = 10 кГц.
  8.  Коэффициент частотных искажений на нижней рабочей частоте   Мн = 2дБ.
  9.  Коэффициент частотных искажений на нижней рабочей частоте   Мн = 2дБ.
  10.  Тип входа – несимметричный,  тип выхода – несимметричный.

Введение

Разрабатываемое устройство представляет собой двухкаскадный усилитель звуковой частоты с несимметричным входом и выходом.  Усилитель может получить широкое распространение в аппаратуре связи  как предварительный усилитель НЧ сигналов, в каналообразующей аппаратуре в индивидуальных преобразователях.

1.  Разработка структурной схемы                 

        В нашем  случае техническому заданию соответствует  двухкаскадная схема усилителя  с использованием полевого и биполярного транзистора. Чтобы обеспечить проектный коэффициент усиления по напряжению (6) при источнике питания +9В в первом каскаде усилителя можно использовать полевой транзистор 2П202Е-1, который при включении по схеме с ОИ должен обеспечить усиление по напряжению в 8,75 раз (Кu1=8,75). Во втором каскаде использовать эмиттерный повторитель на биполярном транзисторе 2Т366Б-1 с коэффициентом усиления по напряжению меньше 1. Избыток усиления убрать на входном устройстве. Выходное устройство должно обеспечить Квых = 1.

  Рисунок 1 – Структурная схема усилителя

Коэффициент  частотных искажений на верхней рабочей частоте Мв=2дБ=1,2589 раза.

Коэффициент  частотных искажений на нижней рабочей частоте Мн=2дБ=1,2589 раза.

2. Разработка принципиальной схемы.

       Первый каскад выполнить на полевом транзисторе 2П202Е по схеме с ОИ, что позволяет добиться высокого входного сопротивления и, следовательно, осуществлять работу с высокоомными источниками входного сигнала.

Схема с ОИ является инвертирующим усилителем, способным усиливать сигналы по напряжению и току и обладает сравнительно небольшими междуэлектродными емкостями. Выходное сопротивление сравнительно велико  и обычно многократно превышает сопротивление нагрузки, поэтому коэффициент усиление каскада КSRн и достигает десятков единиц.

Расчет первого каскада.

Рассматривая работу активных элементов в квазистатическом режиме  и используя семейства выходных характеристик с построением нагрузочных прямых, производим расчет необходимого коэффициента усиления напряжения и номинальных значений элементов. Выбираем рабочую точку при Uзи=0 – при этом не нужно применять цепь автоматического смещения с резистором и конденсатором в цепи истока. В пологой части графика выбираем рабочую точку, что примерно соответствует  Uси = 4 В и Iс=2,55 мА.

На рисунке  приведены семейство выходных характеристик  ПТ 2П202Е с р-n переходом  и каналом р типа, а также три нагрузочных прямых.

Рабочую точку А удобно выбрать при нулевом смещении входной цепи UЗИ=0. Выбор рабочей точки при UЗИ=0 гарантирует упрощение принципиальной схемы и топологии, так как отпадает необходимость в использовании  сопротивления в  цепи тока Ru, и конденсатора большей емкости Сu, устраняющего отрицательную связь во всей полосе рабочих частот.

1) При выборе высокоомной нагрузки каскада, линия нагрузки соответствует прямой I, рабочая точка располагается в крутой области  характеристик ПТ. В этом случае невозможно реализовать высокие значения Кu,  т.к. транзистор имеет низкие значения крутизны, а нагрузка шунтируется малым динамическим сопротивлением Ri (, ). Кроме того, рабочей точке соответствует малое напряжение UСИ, недостаточное для обеспечения нормальной работы выходного каскада и требуемого напряжения на выходе усилителя Uном.

2) При выборе низкоомной нагрузки каскада, линия нагрузки соответствует  прямой III, рабочая точка располагается в пологой области выходных характеристик. В этом случае напряжение  UСИ  в рабочей точке ПТ приближается  к напряжению питания, это приведет к тому, что не будет обеспечиваться нормальный режим  работы транзистора  выходного каскада. Напряжение коллектор-эмиттер будет недопустимо малым (режим работы БТ близок к насыщению), а, следовательно, выходной каскад не обеспечит  необходимого по заданию напряжения Uном.

3)  При выборе рабочей точки (линия нагрузки II) в пологой области характеристик ПТ, транзистор будет обладать высоким динамическим выходным сопротивлением (, ). Так как выполняется неравенство Ri >> RC, то влиянием Ri на коэффициент усиления каскада можно пренебречь, поэтому для расчета коэффициента усиления по напряжению первого каскада можно использовать формулу:

                  

где - крутизна в рабочей точке.  

 Тогда   

Расчет  второго каскада

  Ток покоя выходного транзистора должен быть в 2 – 5 раз более тока нагрузки и в соответствии с  полярностью источника выбираем транзистор 2Т366Б-1. Ток в нагрузке найдем по формуле:

           

 

Напряжение на базе биполярного транзистора  VT2 равно напряжению на стоке полевого транзистора VT1.   

            

где  Uc = 4 В – снимается с графика ВАХ, Uбэ = 0,7В – падение напряжения на переходе база – эмиттер

Найдем

    

Коэффициент усиления выходного каскада

              

 

Коэффициент усиления общий

            

Избыток усиления гасится во входном устройстве с  Чтобы добиться такого усиления нужно подобрать резистор Rг. При условии, что  из формулы   найдем Rг:

            

Расчет амплитудно–частотной характеристики усилителя

       Коэффициент частотных  искажений на нижней рабочей частоте определяется разделительными конденсаторами между затвором полевого транзистора и между оконечным каскадом и нагрузкой.  Распределим поровну искажения между ними:

        

Мн1 = Мн2 = 2 2 = 1 дБ = 1,122 раза

          

           

Определим емкости конденсаторов исходя из допустимых величин частотных искажений.  Коэффициент частотных искажений на верхней рабочей частоте определяется цепью Rc и  Cк.

 Емкость конденсатора рассчитываем по    формуле:

 

Расчет  АЧХ в области нижних частот производится по формуле:

=         

     

                                                          

Подставим значение частоты  0,1ƒн ;  0,2ƒн;  0,5ƒн;  0,7ƒн;  ƒн;  1,5ƒн;  2,0ƒн. Данные заносим в таблицу.

ƒ,Гц

0,1ƒн

0,2ƒн

0,5ƒн

0,7ƒн

  ƒн

1,5ƒн

2,0ƒн

5

10

25

35

50

75

100

YН

0.036

0.131

0.486

0.649

0.791

0.895

0.938

Рисунок 3 – АЧХ усилителя в области нижних частот

Расчет АЧХ в области верхних частот производится по формуле:

 

Подставим значения частоты:  0,5ƒв;  ƒв;  2ƒв;  5ƒв;  10ƒв.  Результаты заносим в таблицу.

 

ƒ,кГц

0,5ƒв

ƒв

2ƒв

5ƒв

10ƒв

5

10

20

50

100

YВ

0,936

0,799

0,553

0,256

0,132

Рисунок 4 – АЧХ усилителя в области верхних частот

Проводим  проверку соответствия  расчетных и заданных значений Мн и Мв:

  1.  Разработка интегральной микросхемы

3.1  Выбор навесных элементов и расчет пленочных элементов

Выбираем керамические чип конденсаторы:

Ср1 К10-17б-102 - 1000 пФ

Ск   К10-17б-332 - 3300 пФ

Ср3 GRM 40 625 – 6,2 мкФ

Размеры конденсаторов:

Ср1: L = 1,6 мм, В = 0,8 мм.

Ск:  L = 2 мм, В = 1,2 мм.  

Ср3: L = 2 мм, В = 1,25 мм.

Резисторы – Rэ=1,2 кОм,  Rс=3,6 кОм – изготавливаются напылением.

Резистор  Rз=5,1 МОм выбираем стандартный Р1-12 с размерами L=3.1мм, В=1,55мм.

Размеры транзисторов 2П202Е-1  0,8 х 0,8мм, и 2Т366Б-1  0,65 х 0,65мм.

       При использовании термического напыления сплава МЛТ-3М коэффициенты формы:   

Зададим ширину резисторов b=0.2 мм. Длина пленочного резистора вычисляется по формуле:

для Rc :          

для Rэ :         

Проверим резисторы по рассеиваемой мощности.

                    

   

Допустимые мощности рассчитываем по формуле ,

где  – площадь резистора,

Ро =0,02 Вт/мм – удельная мощность рассеяния,

Так как рассеиваемые мощности больше чем допустимые, увеличим размеры пленочных резисторов:

для Rc :         lc = 4мм,  bc = lc ∕ Кф = 4 ∕ 7,2 = 0,56 мм.

для Rэ :         lэ = 1,2 мм,  bэ = l ∕ Кф = 1,2 ∕ 2,4 = 0,5 мм.

При этих размерах получим:  РRc доп = 45 мВт;   РRэ доп = 12 мВт, что удовлетворяет требованиям.

  1.  Разработка топологии.

     Суммарная площадь, занимаемая конденсаторами составляет:

Sc = 2 1,2 + 1,6 0,8 + 2 1,25 = 6,18 мм2.

Суммарная площадь, занимаемая резисторами составляет:

SR = 4 0,56 + 1,2 0,5 + 3,1 1,55  = 7,65 мм2

Площадь транзистора VT1 типа 2П202Е  SVT1 = 0.8 ∙ 0.8 = 0,64 мм2.

Площадь транзистора VT2 типа 2Т366Б-1  SVT2=0.65∙0.65 = 0,43мм2.

Суммарная площадь транзисторов  Sтр = 0,64 + 0,43 = 1,07 мм2.

Суммарная площадь элементов усилителя  

S = Sc + SR + Sтр = 6,18+7,65+1,07 = 14,9 мм2.

Учитывая необходимость дополнительной площади  на выводы ИМС, межэлементные соединения и расстояние между элементами, необходимо увеличить  расчетную площадь. Выбираем подложку размерами 9х10 мм (площадь 90 мм2).

      Размещаем элементы схемы на подложке  таким образом, чтобы все внешние выводы находились на краю длинных сторон  и были исключены все пересечения пленочных проводников.

Рисунок 5 – Топология рассчитанной микросхемы

  1.    Этапы  изготовления усилителя в виде гибридной интегральной микросхемы

     ИС представляет собой совокупность пленочных пассивных элементов и навесных активных компонентов.

ИС изготовим по технологии термического напыления  какого-либо материала на диэлектрическую подложку. В настоящее время для получения необходимого рисунка используют фотолитографию, которую осуществляют следующим образом:

1.  На подложку наносят сплошные пленки необходимых материалов    (нихрома для изготовления резисторов  и поверх него – проводящий слой).

  1.  Затем поверхность покрывают фоторезистом и с помощью соответствующего фотошаблона создают в нем рисунок для поводящего слоя, например для контактных площадок будущего резистора.
  2.  Через окна в фоторезисторной маске  проводят травление проводящего слоя, после чего фоторезист удаляют. В результате получают готовые контактные площадки.
  3.  Снова наносят фоторезист и с помощью другого фотошаблона создают рисунок полоски резистора.
  4.  Проводят травление, удаляют фоторезист и получают готовую конфигурацию резистора с контактными площадками.
  5.  По завершении пленочных пассивных пассивных элементов пластины большой площади, на которых групповым методом  на пластинах большой площади, разделяются на отдельные подложки  ( обычно методом скрайбирования ).
  6.  Каждая из подложек снабжается навесными компонентами и заключается в корпус.

Для проводниковых пленок и омических контактов используют либо золото с подслоем  CrTi, либо медь с подслоем ванадия. Толщина проводящих пленок и контактных площадок обычно составляет  0,5-1 мкм.

Подложки тонкопленочных ГИС должны обладать следующими свойствами:

  •  хорошие изолирующие свойства;
  •  малая диэлектрическая проницаемость;
  •  высокая теплопроводность;
  •  достаточная механическая прочность;
  •  температурный коэффициент расширения должен быть близким к температурным коэффициентам расширения используемых пленок.

       

Заключение

          В проекте разработана ГИС размером 10х16мм., представляет собой двухкаскадный усилитель звуковой частоты с заданными в техническом задании  характеристиками. Большое входное сопротивление удалось обеспечить применением полевого транзистора  включенного по схеме с ОИ, второй каскад – эмиттерный повторитель собран на биполярном транзисторе 2Т366Е-1, который позволяет получить большой коэффициент по току, а коэффициент по напряжению меньше единицы, таким образом, удалось достичь заданного  усиления по напряжению при питании +9В.

Список литературы

  1.  Степаненко  И.П.  Основы микроэлектроники – М.: Сов. радио, 1980
  2.  Цыкин Г.С. Усилительные устройства – М. :  Связь, 1971
  3.  Малышева И.А.  Технология производства интегральных микросхем – М. : Радио и связь, 1991
  4.  Справочная книга радиолюбителя – конструктора – М. : Радио и связь,1990
  5.  Транзисторы (справочник) – М. : Радио  и связь, 1990


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

38561. Описании языковой картины мира (ЯКМ) субъекта делового текста (завещателя) на материале памятника деловой письменности Северной Руси XVIII веке 239.5 KB
  Теоретические аспекты субъекта текста. Проблематика выпускной квалификационной работы состоит в описании языковой картины мира ЯКМ субъекта делового текста завещателя на материале памятника деловой письменности Северной Руси XVIII в. Исследования такого типа актуальны потому что они позволяют через лексическое значение слов выявить влияние культурного контекста на лексику особенности социальноэкономической и духовной культуры поморов XVIIXVIII вв. разработать методику лингвокультурологической обработки исследуемого материала и...
38562. ЗНАКИ БОЖЕСТВЕННОГО В ТВОРЧЕСТВЕ ОЛИВЬЕ МЕССИАНА НА ПРИМЕРЕ СИМФОНИИ «ТУРАНГАЛИЛА» 5.39 MB
  Проекция божественного в анализе симфонии Турангалила Оливье Мессиана6 Интродукция Песнь любви I вторая часть Турангалила I третья часть Песнь любви II четвёртая часть Радость крови звёзд пятая часть Сад сна любви шестая часть Турангалила II седьмая часть Развитие любви восьмая часть Турангалила III девятая часть Финал 4. Заложенное ещё в консерваторских классах Поля Дюка увлечение индийской перуанской японской культурой нашло своё отражение в цикле из 12 песен Любви и...
38564. Осуществление кадастровых отношений 4.8 MB
  Законы и иные нормативные правовые акты субъектов РФ не могут противоречить федеральным законам. В случае противоречия между федеральным законом и иным актом, изданным в РФ, действует федеральный закон.
38565. Усовершенствование технологии производства поковок флокеночувствительной стали марки 40ХН2МА, забракованных при УЗК 1.16 MB
  Завод специализируется на производстве металлопродукции нержавеющих инструментальных легированных конструкционных быстрорежущих штамповых жаропрочных и прецизионных марок стали и сплавов поставка которых осуществляется на внутренний и внешний рынок. Завод производит около 1000 марок стали и сплавов выплавленных в мартеновских открытых дуговых и индукционных электропечах рафинированных электрошлаковым ЭШП и вакуумнодуговым ВДП переплавами в агрегате ковшпечь АКП. Конструкционные стали должны обладать высокой конструктивной...
38566. ДИПЛОМНАЯ РАБОТА ЮРИСТА. Учебно-методическое пособие 290 KB
  Методические указания предназначены для оказания помощи курсантам в определении темы дипломной работы в ее написании оформлении и защите по всем юридическим дисциплинам. Курсанты успешно выполнившие учебный план и сдавшие государственные экзамены должны подтвердить свою квалификацию во время защиты дипломной работы. Написание итоговой квалификационной работы трудоемкий процесс требующий от курсанта глубоких знаний умения анализировать обобщать разбираться в сложных вопросах юридической теории и практики. Выполнение и защита дипломной...
38567. Затраты, связанные с производственной деятельностью ООО «Трест – 2» 3.09 MB
  Сущность и классификация затрат Сущность затрат на производство и издержек производства не тождественны между собой в теоретическом и практическом планах как на уровне общественного производства так и в макроэкономике в отечественной и зарубежной практике. Затраты на производство отечественных предприятий состоят из их собственных денежных расходов а издержки зарубежных фирм включают нормативную прибыль [7c. Наиболее общее понятие издержек производства фирм в зарубежных учебниках определяется как затраты на вводимые факторы или...
38568. Автоматизированная система коммерческого учета топлива для автозаправочной станции с.Заречный 11.54 MB
  В задании на проектирование АЗС указывают: район или пункт строительства, количество заправок в сутки, число и продолжительность рабочих смен, способ доставки горюче-смазочных материалов на станцию, источники тепло-, энерго- и водоснабжения, канализацию, связь и радиофикацию, наименование типового проекта
38569. Анализ природоохранной деятельности ООО «ХЛЕБОКОМБИНАТ РИАТ Г. КИНЕШМА» 1.17 MB
  Сравнение приведенных данных с масштабами природоохранных капитальных затрат в зарубежных странах где они составляют 24 от ВВП свидетельствует о том что нужно существенно увеличивать вложения в природоохранные мероприятия.i – базовый норматив платы за выброс 1 т iго загрязняющего вещества в размерах не превышающих предельно допустимые нормативы выбросов руб.i – базовый норматив платы за выброс 1 т iго загрязняющего вещества в пределах установленного лимита руб.